Performance of a capacitive monitoring system for instrumented bone implants

Abstract

Musculoskeletal disorders are becoming an ever-growing societal burden and, as a result, millions of bone replacements surgeries are performed per year worldwide. Although total joint replacements are recognized among the most successful surgeries of the last century, implant failure rates exceeding 10% are still reported. These numbers highlight the necessity of technologies to provide an accurate monitoring of the bone-implant interface state. This work aims to identify the performance of an instrumented implant to monitor implant stability using a planar capacitive technology. A 5x10x0.8 mm printed circuit with two 5x2 mm electrodes was fabricated to be integrated in an implantable device, with the objective of assessing the effect of a fully implantation into a biological specimen. The implant was fabricated with a conic geometry, to achieve a press-fit fixation, with 55 mm of length and a minimum/maximum diameters of 12 and 15 mm, respectively. After implantation, the system was put under compression and decompression cycles, so the bone-implant interface could be altered. In the compression cycle, the observed capacitance values decreased, indicating the sensor was moving away from the bone; and contrarily, in the decompression cycle, the capacitance increased with the progressive unloading. Values were obtained in intervals of [2.2090; 3.0764] pF for the compression and [1.9806; 3.1841] pF for the decompression. The mean percentage of capacitance change for the compression cycle was 3.67% and 5.06% for the decompression, indicating a greater change rate in the decompression cycle. Additional tests were carried where the implant and the sensor were rotated 90 and 180º, to show the influence of different interfaces in the measured capacitance. The latter tests allowed to support the results obtained without rotation, as different sensor positions provided different behaviors of the capacitance change. Further development is still needed related to the experimental setup, more specifically the in vitro specimens fixation and the environment control of the experiment room. In addition, energy harvesting to create self powering systems to avoid exernal links or finite-life alternatives are also a necessity for future instrumented implants. This work further demonstrated the potential of capacitive technologies to monitor the bone-implant fixation. Therefore, it also contributed towards the design of a new era of high-sophisticated implantable medical devices.

Distúrbios musculares estão a tornar-se um fardo cada vez maior para a sociedade atual, e, como resultado, milhões de artroplastias são realizadas anualmente por todo o mundo. Apesar da artroplastia estar reconhecida entre os procedimentos mais bem sucedidos do último século, ainda se observa uma taxa de falha em implantes de cerca de 10%. Estes números realçam a necessidade das tecnologias conseguirem fornecer um diagnóstico preciso da interface osso-implante, podendo reduzir significativamente a necessidade de cirurgias de revisão. Este trabalho tem como objetivo avaliar o desempenho de um implante instrumentado para monitorizar a estabilidade em implantes, utilizando uma tecnologia capacitiva planar. De forma a verificar o efeito de uma inserção completa em espécimes biológicos, um circuito impresso de dimensões 5x10x0.8 mm com dois elétrodos de 5x2 mm foi fabricado com o objetivo de ser integrado dentro de um implante. O implante foi projetado com uma geometria cónica, de forma a obter uma fixação press-fit, com diâmetros mínimo/máximo de 12 e 15 mm, respetivamente, e um comprimento de 55 mm. Depois de implantado, o sistema foi posto sobre ciclos de compressão e de descompressão de forma a alterar a interface osso-implante. Nos ciclos de compressão, os valores observados da capacidade decresceram, indicando que o sensor se estava a afastar do osso; contrariamente, nos ciclos de descompressão, a capacidade tendia a aumentar com o descarregamento. Os valores foram obtidos no intervalo de [2.2090; 3.0764] pF para os ciclos de compressão e de [1.9806; 3.1841] pF para a descompressão. A percentagem média de variação da capacidade para os ciclos de compressão foi de 3.67% e de 5.06% para os de descompressão, indicando uma maior taxa de variação nos ciclos de descompressão. Adicionalmente, foram realizados testes em que o implante e o sensor foram rodados 90 e 180 de forma a verificar o efeito de interfaces diferentes na capacidade medida. Estes últimos testes permitiram também corroborar a validade dos testes de compressão e descompressão, visto que orientações diferentes do sensor deveriam dar tendências diferentes nas curvas de capacidade. No entanto ainda é necessário um desenvolvimento adicional relativamente ao setup experimental, mais concretamente na fixação dos espécimes biológicos durante os ensaios in vitro, assim como no controlo das condições ambiente do laboratório. Adicionalmente, o desenvolvimento de sistemas de energy harvesting são uma necessidade para o futuro dos implantes instrumentados de forma a ter um sistema auto-sustentável, evitando ligações com o exterior ou soluções de vida limitada. Este trabalho permitiu comprovar o potencial de tecnologias capacitivas para a monitorização do estado da interface osso-implante. Assim, também contribuiu para o desenvolvimento de uma nova era de dispositivos médicos implantáveis altamente sofisticados.